一種智能微縮車路協同系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能交通技術領域，具體涉及一種基于縮比模型的車路協同系統。
【背景技術】
[0002] 目前車路協同系統研究初期，實際場景改造成本過高，系統工作條件復雜多變，在 交通現場實驗難度大，實驗也存在一定危險性，難以操作。基于相似理論的縮比車路協同系 統的模擬實驗場景，通過對縮比模型的試驗可以幫助交通系統試驗人員正確、快速、經濟的 完成試驗的研究和分析。利用模型試驗來預測大型原模型的交通特性，對新型智能交通系 統的研究有重要意義。縮比模型和原模型的測試結果一致性較好，模型可進行重復性實驗， 降低試驗成本，縮短研究周期以及合理的相關試驗數據，對車路協同系統研究有重要意義。
[0003] 現有技術中由于直接將新型的車路協同技術運用到實際交通中進行試驗存在安 全風險，而且試驗費用高昂甚至難以操作。軟件仿真測試不能滿足各種實驗要求，數據獲取 真實性差，仿真值和實測值吻合度較差。現有的交通仿真軟件車輛運行依賴于跟車模型和 道路變換模型與實際車輛運行狀態之間存在較大偏差，并且軟件仿真但只是功能性仿真， 涉及到無線通訊、時序之類的仿真無法準確的模擬實現。仿真數據獲取真實性差，仿真結果 準確性低。目前交通實驗沙盤試驗場場景功能不完善，主要實現信息采集與信號控制，并沒 有集成新型的車路協同技術，沙盤中運行的模型車智能化程度較低，他們無法滿足車路協 同沒仿真平臺的要求。并且常見的交通微縮模型設計是按照固定幾何比例縮小的模型，對 模型的物理性能相似性考慮甚少。這種微縮模型不能夠真實的模擬交通環境。
【發明內容】
[0004] 根據以上不足，本發明提出一種智能微縮車路協同系統。具體采用如下技術方案： 系統包括智能微縮車及微縮道路沙盤，智能微縮車包括車體、后軸及輪胎、前軸及輪胎、車 架、直流電機、蓄電池、RFID讀卡器、核心主控板、轉向舵機、超聲波測距模塊；微縮道路沙 盤包括ETC不停車收費系統、路側控制器、視頻檢測器、微波檢測器、地磁檢測器、線圈檢測 器、可變情報板、交通信號燈、RFID模塊；
[0005] 智能微縮車車速Vm根據如下公式設置：
[0007] 式中：TM-智能微縮車發動機轉矩；Γηι-智能微縮車主動輪半徑山智能微縮車 車輛傳動系統總傳動比；(；-智能微縮車空氣阻力系數;Α^-智能微縮車迎風面積；Gm-智能 微縮車質量；智能車傳動效率；r-智能微縮車相對于原車的微縮比例；G-原車質量； Te_原車發動機轉矩；rz-原車主動輪半徑；if原車車輛傳動系統第i檔的總傳動比；C-原 車空氣阻力系數;A-原車迎風面積；η-原車傳動效率；
[0008] 微縮道路的彎道橫向坡度ih根據如下公式設置：
[0010] 式中：B-車軸距，h-車輛重心高度，V-智能車速度，R-彎道半徑，μ-單位車重 的橫向力；
[0011] 微縮道路路面摩擦系數根據如下公式設置：
[0013] 式中：x-制動開始至停時距離；V。-車輛制動初速度；i一路面縱坡；t一智能微縮 制動力增長所經歷的時間。
[0014] 本發明具有如下技術效果：將實物依據相似原理按照一定比例縮小，并能夠保持 模型與實物之間物理性能吻合，為智能車路協同技術研究提供準確可靠的實物驗證。
【附圖說明】
[0015] 圖1是智能微縮車結構示意圖
[0016] 圖2為設備安裝位置示意圖
【具體實施方式】
[0017] 本發明智能縮比車路協同系統包括智能微縮車及微縮沙盤，智能微縮車是基于縮 比模型的智能車，將實際車輛按比例縮小，縮比系數。為保持智能微縮車與原車物理性 能相似，需建立相應的參數縮比方法。
[0018] 智能微縮車結構及各功能安裝位置如圖1所示：
[0019] 1直流電機（安裝位置智能小車后輪驅動軸處）；
[0020] 2蓄電池（安裝位置控制單元下端，靠近電機處）；
[0021] 3RFID讀卡器（安裝位置智能小車地盤處）；
[0022] 4核心主控板（安裝位置智能車幾何中心處，用一碳素桿支撐）；
[0023] 5轉向舵機（安裝位置前輪軸中部，通過控制桿與前軸兩車輪相連接）；
[0024] 6超聲波測距模塊（安裝位置智能小車前端，與主控板連接）；
[0025]7后軸及輪胎
[0026] 8前軸及輪胎
[0027] 9車架
[0028] 一、智能微縮車幾何尺寸：
[0029] 縮比模型設計的基本要求是模型與原型保持相似，按照幾何相似原則，原型裝置 尺寸/縮比模型裝置尺寸為r。縮比模型的各個結構參數計算如下：
[0030] (1)原尺寸汽車的長度L。和智能微縮車的長度L"是固定的。智能微縮車尺寸是 通過把微縮車的尺寸與原尺寸汽車的尺寸相比計算得到的，如下公式可得出：
[0032] (2)車寬即沿智能車寬度方向兩側極端之間距離尺寸，計算方法如下
[0034] (3)車高即沿智能車最高點至地面距離尺寸，計算方法如下：
[0036] 二、智能微縮車速度控制方法
[0037] 為了評價原汽車模型與智能微縮車模型的動力特性，需要引入動力因數的概念。 突出體現汽車動力特性的參數是速度，因此對參數作如下推導：
[0038] (1)牽引力Ft和空氣阻力Fw之差與車輛總質量G之比，叫做動力因數，以D表示。
[0042] 式中：Te-發動機轉矩；rz_主動輪半徑；h-車輛傳動系統第i檔的總傳動比；
[0043] C-空氣阻力系數；A-迎風面積；D-動力因數；
[0044] 將上述公式（3)代入（2)中，可推導得出
[0046] (2)基于縮比法則，智能微縮車的動力特性縮比為原汽車動力特性的Ι/r，即微縮 車的動力因數為原汽車動力因素的Ι/r，即
[0048]由此可以類比原汽車參數的推導對智能微縮車的參數作推導，并最終得到智能微 縮車速度與原汽車速度對應關系式：
[0050]式中：TM-智能微縮車發動機轉矩；Γηι-智能微縮車主動輪半徑山智能微縮車 車輛傳動系統總傳動比；(；_智能微縮車空氣阻力系數;Α^-智能微縮車迎風面積；Gm-智能 微縮車質量；智能車傳動效率；r-智能微縮車相對于原車的微縮比例；G-原車質量； Te_原車發動機轉矩；rz-原車主動輪半徑；if原車車輛傳動系統第i檔的總傳動比；C-原 車空氣阻力系數;A-原車迎風面積；η-原車傳動效率；
[0051] 智能微縮車動力是由安裝在后軸動力系統的直流電機供給。直流電機在不考慮電 樞回路電抗壓降時電機轉速與附加在電機上的端電壓成正比。智能微縮車控制電路通過調 節PWM占空比控制驅動芯片供給直流電機的電壓大小，以達到控制速度的目的。
[0052] (3)智能微縮車速度與控制電路輸出PWM波脈寬計算方法
[0053] 設電機始終接通電源時，電機兩端電壓為1]_，轉速最大乂_，設PWM波占空比為D。 Τ為脈沖信號周期，h為高電平時長，則電機的電壓平均值為：
[0054]Ud=Unax*D
[0056] 式中：Ud-電機電壓平均值；U_-電機兩端最大電壓；D=t/T-占空比。
[0057] 由公式可見，當T保持不變時，電機的電壓隨著h的變化而變化，可以得到不同的 電壓，從而達到改變電機轉速的目的。
[0058] 電機轉速Vm與電壓脈寬關系表達式為：
[0060] 三、智能微縮車轉向控制方法
[0061] (1)通過對轉向系統結構受力分析可得到舵機轉矩平衡方程：
[0063] 式中：HV-車輪及轉向傳動機構等在轉向拉桿上的當量質量轉向連桿機構的 當量阻尼系數；I-轉向舵機的剛度；Θ^舵機的轉角；K-轉向拉桿位移與車輪轉角的比例 系數；Ftl轉向阻力；&-舵機搖臂的長度；-舵機輸出轉矩；
[0064] (2)智能微縮車的轉向系統可簡化為電動機電樞電壓U為輸入，車輪轉向輪轉角 Θ位輸出的線性數學模型。根據直流電機的工作原理可知，舵機的電磁轉矩與電樞電流成 比例，即：
[0065] Tn=KJe
[0066] 式中：心-舵機的力矩常數；Ιε_舵機的電樞電流；
[0067] 因此可以通過控制舵機的電流來控制轉角。對于直流電機，在電流和電壓之間存 在如下關系：
[0069] 式中：Ke-電動機的反電動勢常數R-電動機電樞電阻L-電動機電樞電感
[0070] I-電動機電流ω-電機角速度
[0071] 對上式進行拉普拉斯變換求得電流電壓和舵機轉角Θ之間的關系：
[0072] U(s) =L·s·I(s) +Keωm (s)+R·I